超高層建筑自然能源利用的可持續(xù)性問(wèn)題研究★

徐蘇容 周 科

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

0 引言

自從20世紀(jì)初期將自然能源利用的概念引入到超高層建筑設(shè)計(jì)中以來(lái)，改變了傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)模式，以提高超高層建筑物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和融合外部環(huán)境變化的需求。長(zhǎng)期以來(lái)，超高層建筑物自然能源利用的理論從其實(shí)際效果研究和設(shè)計(jì)方法等方面都取得了許多進(jìn)展。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和現(xiàn)代化城市的建設(shè)，超高層建筑的數(shù)量在迅速增長(zhǎng)，不但高度在向更高空間伸延，規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。在區(qū)域分布上，超高層建筑的建設(shè)不斷從經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)向內(nèi)地城市轉(zhuǎn)移，從北京、上海、廣州等一線大城市轉(zhuǎn)移至二、三線城市。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有已建、在建或規(guī)劃中的超高層建筑1 100多座，高度從100 m躍升至近600 m。超高層建筑的建設(shè)一方面加快了城市現(xiàn)代化建設(shè)，在節(jié)約用地、減少城市空間交通擁堵、整合城市資源等方面都具有十分顯著的作用，但是超高層建設(shè)的發(fā)展也帶來(lái)了許多不容忽視的問(wèn)題。例如超高層建筑的能耗問(wèn)題、室內(nèi)舒適度問(wèn)題，建筑藝術(shù)外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題，尤其是超高層建筑增加城市洪澇災(zāi)害、引起城市局部氣候條件的變化，引發(fā)城市熱島效應(yīng)問(wèn)題以及增加水文極端事件的概率問(wèn)題等，都受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者的重視。因此，探索如何優(yōu)化利用當(dāng)?shù)刈匀荒茉础⒊邔咏ㄖc當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的融合以及超高層建筑的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布局等，對(duì)于超高層建筑設(shè)計(jì)與發(fā)展以及自然能源的優(yōu)化利用都具有十分重要的意義。本文就超高層建筑物自然能源利用的理論、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、可持續(xù)性等方面進(jìn)行了探討。

1 超高層建筑物自然能源利用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

超高層建筑常見的自然能源利用類型為太陽(yáng)輻射能、風(fēng)能和雨水資源利用。下面研究這三種自然資源的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 風(fēng)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，風(fēng)能資源的開發(fā)利用設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)的紊流特點(diǎn)等。通常氣象資料中的風(fēng)速測(cè)試站高度為10 m，若氣象資料中風(fēng)速為2 m/s，則根據(jù)梯度風(fēng)規(guī)則，100 m高處的風(fēng)速則約為3 m/s，400 m～500 m高處的風(fēng)速則增加到5 m/s。

1)風(fēng)的朝向設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)風(fēng)的朝向指標(biāo)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)計(jì)多年來(lái)氣象觀測(cè)站對(duì)風(fēng)的觀測(cè)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念，統(tǒng)計(jì)風(fēng)的歷年朝向，可以繪制風(fēng)的朝向特征指標(biāo)變化過(guò)程線圖，綜合考慮超高層建筑朝向與對(duì)應(yīng)于一定概率風(fēng)的朝向，按照對(duì)風(fēng)力資源利用的要求，設(shè)計(jì)最佳風(fēng)力朝向。

2)風(fēng)速的設(shè)計(jì)。

通過(guò)氣象站多年觀測(cè)資料，用下式計(jì)算超高層建筑的風(fēng)速：

(1)

其中，Vh為高度h處的風(fēng)速，m/s;Vref為參考高度處的風(fēng)速，m/s(查氣象資料得出)；href為參考高度，m(氣象資料中href為10);a為地面粗糙系數(shù)。

3)風(fēng)力設(shè)計(jì)。

風(fēng)力即風(fēng)的壓力，指垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)壓關(guān)系，風(fēng)的動(dòng)壓為：

Wp=0.5·R·v2

(2)

其中,Wp為風(fēng)壓,kN/m2;R為空氣密度,kg/m3;v為風(fēng)速,m/s。

1.2 太陽(yáng)輻射能源利用設(shè)計(jì)

我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，尤其是南方地區(qū)和河西走廊地區(qū)，分布著豐富的太陽(yáng)能資源，為超高層建筑太陽(yáng)能資源利用提供了良好的條件。對(duì)于超高層建筑，作為初步估算，太陽(yáng)輻射能源利用可采用式(3)計(jì)算：

S′=Q(a+bS1)

(3)

其中，S′為直接輻射平均月(年)總量，Q為計(jì)算直接輻射的起始數(shù)據(jù)，可采用天文總輻射S0，即理想大氣總輻射；a,b均為系數(shù)；S1為日照百分率。

1.3 雨水資源利用設(shè)計(jì)

按照不同地區(qū)降雨量大小和降雨特征，設(shè)計(jì)超高層建筑可能利用的雨水資源量。可以采用水文設(shè)計(jì)中常用的概率分布計(jì)算的辦法，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)一定標(biāo)準(zhǔn)的雨水資源量。

2 超高層建筑自然能源利用案例研究

下面通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外超高層建筑自然能源利用案例調(diào)查，研究其自然能源的利用，從而提出可持續(xù)性問(wèn)題。

2.1 太陽(yáng)風(fēng)大廈

美國(guó)加州大學(xué)規(guī)劃建造了太陽(yáng)風(fēng)大廈。太陽(yáng)風(fēng)大廈的建筑設(shè)計(jì)是藝術(shù)、建筑和環(huán)境可持續(xù)性的融合，將風(fēng)能、太陽(yáng)能和雨水收集利用綜合考慮在內(nèi)。該大廈是學(xué)生、教師經(jīng)常聚會(huì)進(jìn)行重要活動(dòng)休閑和學(xué)習(xí)的地方。

2.2 組合式動(dòng)能資源——巴林島的世貿(mào)中心(WTC)

該大廈由兩個(gè)240 m高的雙子塔組成(見圖1)，分為50層，2004年開建，2006年年底完工。該大廈是麥納麥(Manama)的第二超高層大廈。該大廈安裝了三個(gè)風(fēng)力機(jī)組，發(fā)電量占大廈用電的15%。

該大廈是第一個(gè)利用風(fēng)力解決本身用電的超高層大廈。雙子塔大廈外部造型像一對(duì)帆船，利用風(fēng)能的沖浪滿足大廈內(nèi)部用電。雙子塔通過(guò)三個(gè)橋梁連接，三個(gè)橋梁支撐著三個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。整體大廈的設(shè)計(jì)優(yōu)化了風(fēng)力通道，增加自然風(fēng)力強(qiáng)度30%。三個(gè)風(fēng)力機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)可以解決大廈能量需求的11%～15%，年發(fā)電量達(dá)到1 100 MW～1 300 MW。

2.3 廣州珠江大廈

該大廈建于2006年7月～2009年12月，69層303 m高(見圖2)。廣州珠江大廈是世界上著名的環(huán)境友好型超高層建筑，所產(chǎn)生的能源自給自足。其特點(diǎn)是安裝了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電和雨水收集利用系統(tǒng)，雨水收集后可以由太陽(yáng)能加熱。通過(guò)散熱器和垂直通風(fēng)使得樓房涼爽。樓房渦輪機(jī)內(nèi)有一個(gè)風(fēng)道，可以減少風(fēng)對(duì)大廈的影響。

3 超高層建筑物動(dòng)能資源利用可持續(xù)性分析

3.1 外形與內(nèi)部組成單元的設(shè)計(jì)可持續(xù)性

1)曲線型、非對(duì)稱性減少了風(fēng)力荷載，平均減少24%，從而減少了樓房的結(jié)構(gòu)荷載，也減少了能耗。

2)新型的外墻設(shè)計(jì)技術(shù)是大廈可持續(xù)設(shè)計(jì)和能源更新系統(tǒng)中的亮點(diǎn)。圓形的玻璃內(nèi)墻與同等面積方形樓房的玻璃使用量對(duì)比，減少了14%。同時(shí)也大大減少了能耗。

3)雙層垂直前廳起到了熱緩沖器的作用。具有改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，給人提供歇息的空間等功能。

4)樓房盤旋式欄桿可以收集雨水，可以用作大廈加熱和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)的形狀可以促進(jìn)渦旋脫落，生成非對(duì)稱表面，從而減少樓房的風(fēng)力荷載。風(fēng)力渦輪機(jī)安裝在護(hù)欄的正下方，可以提供內(nèi)部電源。

3.2 氣候響應(yīng)問(wèn)題

將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)理論應(yīng)用到樓房朝陽(yáng)面以防護(hù)陽(yáng)光。實(shí)際上，樓房的百葉窗也是對(duì)氣候的響應(yīng)，它可以按照時(shí)間和季節(jié)的變化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化利用太陽(yáng)能和光線的目的。對(duì)氣候響應(yīng)的一個(gè)突出亮點(diǎn)是雨水資源的收集利用，將收集起來(lái)的雨水經(jīng)凈化后，用于樓房生活或冷卻用水等。其次是太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的利用。

3.3 自然能源利用需要進(jìn)行跨學(xué)科研究

超高層建筑自然能源開發(fā)利用所對(duì)應(yīng)的層次是“人類+自然環(huán)境”,屬于地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文資源、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、環(huán)境學(xué)等眾多學(xué)科研究的范圍。因此,超高層建筑自然能源開發(fā)利用是一個(gè)學(xué)科密集的層次,需要多學(xué)科參與，形成一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科研究體系。

3.4 超高層建筑自然能源利用的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題

超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的管理應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展原則、生態(tài)質(zhì)量原則、動(dòng)態(tài)性原則、可比性原則和可行性原則。我國(guó)已經(jīng)成為全球超高層建筑自然能源利用的大國(guó),也是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大國(guó),但是缺乏統(tǒng)一的政策法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),缺乏嚴(yán)格統(tǒng)一的行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)部門的管理范圍及管理權(quán)限尚未得到明確的界定,缺乏核心技術(shù)創(chuàng)新。因此,需要制定超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的戰(zhàn)略動(dòng)態(tài)規(guī)劃,加強(qiáng)自然能源利用相關(guān)科技的創(chuàng)新和研發(fā),建立完備的超高層建筑自然能源開發(fā)利用綠色產(chǎn)業(yè)鏈,建立健全超高層建筑自然能源可持續(xù)利用的相關(guān)法律法規(guī),從而實(shí)現(xiàn)超高層建筑自然能源的可持續(xù)利用。

[1] 王松霈.論我國(guó)的自然資源利用與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[J].自然資源學(xué)報(bào),1995,10(4)：32-33.

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